CN111900887A - 一种柔性直流换流阀充电方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于柔性直流换流阀领域，公开了一种柔性直流换流阀充电方法及控制系统，所述充电方法包括：闭合交流开关，对柔性直流换流阀开始不控充电，至柔性直流换流阀内所有全桥子模块电压均超过各自自取能电源的最小工作电压；交替改变柔性直流换流阀内每一相的桥臂上的充电电流方向，至柔性直流换流阀内所有半桥子模块电压均超过各自自取能电源的最小工作电压；通过切换全桥子模块和半桥子模块的充放电状态，使得所有全桥子模块和半桥子模块的电压一致；在持续充电过程中依次将电压达到设定值的全桥子模块或半桥子模块切换至切除状态，至所有全桥子模块和半桥子模块的电压均达到设定值。有效解决混合型柔直换流阀第二阀组在线投入时的充电问题。

Description

一种柔性直流换流阀充电方法及控制系统

技术领域

本发明属于柔性直流换流阀领域，涉及一种柔性直流换流阀充电方法及控制系统。

背景技术

随着全控型电力电子器件的不断发展，特别是3000A电流等级的大功率器件绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)的出现，柔性直流输电正在向±800kV/5000MW等级特高压大容量直流输电技术快速发展，特高压混合柔性直流输电开始成为研究的热点。目前，国内外已投运的柔直工程电压等级最高±500kV、输送容量最大1000MW，所用的柔性直流输电换流阀结构多为半桥型(Half-Bridge Sub Modular,HBSM)，阀组接线方式有对称单极方式和对称双极方式。而即将开工建设的乌东德电站送电广东广西特高压多端直流示范工程(以下简称乌东德工程)电压等级为±800kV，受端广东、广西侧容量分别为5000MW和3000MW，采用基于模块化多电平换流器(Modular MultilevelConverter,MMC)，换流器采用半桥全桥混合拓扑，主回路接线方式采用对称双极高低阀组方式。目前有研究指出了采用全桥和半桥混合拓扑的特高压柔性直流输电换流器充电时的均压问题、直流系统的启停顺控流程和直流线路瞬时故障穿越、重启策略。

但是，半桥和全桥子模块构建的混合型柔直换流阀的第二阀组在线投入时，在不控充电过程中，全桥模块由线电压充电，充电线路中不会出现负电流，半桥模块自取能电源电压低于门槛值，不能正常工作，使得半桥模块无法带电导致充电失败。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中半桥和全桥子模块构建的混合型柔直换流阀的第二阀组在线投入时，半桥模块自取能电源电压低于门槛值，不能正常工作，使得半桥模块无法带电导致充电失败的缺点，提供一种柔性直流换流阀充电方法及控制系统。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明第一方面，一种柔性直流换流阀充电方法，包括以下步骤：

S1：闭合交流开关，对柔性直流换流阀开始不控充电，至柔性直流换流阀内所有全桥子模块电压均超过各自自取能电源的最小工作电压；

S2：交替改变柔性直流换流阀内每一相的桥臂上的充电电流方向，至柔性直流换流阀内所有半桥子模块电压均超过各自自取能电源的最小工作电压；

S3：通过切换全桥子模块和半桥子模块的充放电状态，使得所有全桥子模块和半桥子模块的电压一致；

S4：在持续充电过程中依次将电压达到设定值的全桥子模块或半桥子模块切换至切除状态，至所有全桥子模块和半桥子模块的电压均达到设定值。

本发明柔性直流换流阀充电方法进一步的改进在于：

所述S1中全桥子模块的自取能电源的最小工作电压为400V。

所述S2中交替改变柔性直流换流阀内每一相的桥臂上的充电电流方向的具体方法为：

交替改变柔性直流换流阀中每一相的上桥臂和下桥臂的等效初始充电电压的大小关系。

所述S2中交替改变柔性直流换流阀中每一相的上桥臂和下桥臂的等效初始充电电压的大小关系的具体方法为：

交替增加柔性直流换流阀中每一相的上桥臂和下桥臂中位于切除状态的全桥子模块的个数。

所述S2中半桥子模块的自取能电源的最小工作电压为400V。

所述S3的具体方法为：

当半桥子模块的电压需要降低时，当电流大于零时，通过切换半桥子模块内开关管的导通状态，使得半桥子模块的电容旁路；当电流小于零时，通过切换半桥子模块内开关管的导通状态，使得半桥子模块的电容处于放电状态；

当全桥子模块的电压需要降低时，当电流小于零时，通过切换全桥子模块内开关管的导通状态，使得全桥子模块的电容处于放电状态。

所述S4中所有全桥子模块和半桥子模块的电压均达到设定值具体为：所有全桥子模块和半桥子模块的电压均达到各自内部电容的电压额定值。

本发明第二方面，一种柔性直流换流阀充电控制系统，包括：

不控充电控制模块，用于闭合交流开关，对柔性直流换流阀开始不控充电，至柔性直流换流阀内所有全桥子模块电压均超过各自自取能电源的最小工作电压；

半桥充电控制模块，用于交替改变柔性直流换流阀内每一相的桥臂上的充电电流方向，至柔性直流换流阀内所有半桥子模块电压均超过各自自取能电源的最小工作电压；

均压控制模块，用于通过切换全桥子模块和半桥子模块的充放电状态，使得所有全桥子模块和半桥子模块的电压一致；

充电切除模块，用于在持续充电过程中依次将电压达到设定值的全桥子模块或半桥子模块切换至切除状态，至所有全桥子模块和半桥子模块的电压均达到设定值；以及

电压监控模块，用于实时获取每个全桥子模块和半桥子模块的电压。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明柔性直流换流阀充电方法，通过不控充电给所有全桥子模块进行充电，然后交替改变柔性直流换流阀内每一相的桥臂上的充电电流方向，使得柔性直流换流阀的桥臂充电电流方向存在正方向，进而为所有半桥子模块进行充电，至所有半桥子模块电压均超过各自自取能电源的最小工作电压，实现全桥子模块和半桥子模块的状态可控，进而通过切换全桥子模块和半桥子模块的充放电状态，使得所有全桥子模块和半桥子模块的电压一致，然后在持续充电过程中依次将电压达到设定值的全桥子模块或半桥子模块切换至切除状态，至所有全桥子模块和半桥子模块的电压均达到设定值，完成整个柔性直流换流阀的充电。有效解决了现有充电方式时，当第二阀组冷备在线投入时，由于半桥子模块因充电电流方向为负方向，处于旁路状态，半桥模块自取能电源电压低于门槛值，不能正常工作导致半桥子模块取能失败的问题，进而导致整个柔性直流换流阀充电失败的问题。

附图说明

图1为本发明实施例的柔性直流换流阀充电方法流程框图；

图2为本发明实施例的混合型MMC的拓扑结构示意图；

图3为本发明实施例的半桥子模块拓扑示意图；

图4为本发明实施例的全桥子模块拓扑示意图；

图5为本发明实施例的半桥子模块的硬件架构示意图；

图6为本发明实施例的对称双极高低阀组接线方式示意图；

图7为本发明实施例的仿真系统示意图；

图8为本发明实施例的仿真系统充电电压示意图；

图9为本发明实施例的样机实验系统充电过程录波图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明提供了一种柔性直流换流阀充电方法，包括以下步骤：

S1：闭合交流开关，对柔性直流换流阀开始不控充电，至柔性直流换流阀内所有全桥子模块电压均超过各自自取能电源的最小工作电压。

具体的，本实施例中，全桥子模块的自取能电源的最小工作电压为400V。

S2：交替改变柔性直流换流阀内每一相的桥臂上的充电电流方向，至柔性直流换流阀内所有半桥子模块电压均超过各自自取能电源的最小工作电压。

具体的，本实施例中，交替改变柔性直流换流阀内每一相的桥臂上的充电电流方向称为全桥电压控制策略，具体方法为：交替改变柔性直流换流阀中每一相的上桥臂和下桥臂的等效初始充电电压的大小关系。交替改变柔性直流换流阀中每一相的上桥臂和下桥臂的等效初始充电电压的大小关系的具体方法为：交替增加柔性直流换流阀中每一相的上桥臂和下桥臂中位于切除状态的全桥子模块的个数。其中，半桥子模块的自取能电源的最小工作电压为400V。

S3：通过切换全桥子模块和半桥子模块的充放电状态，使得所有全桥子模块和半桥子模块的电压一致。

具体的，本实施例中，通过切换全桥子模块和半桥子模块的充放电状态，使得所有全桥子模块和半桥子模块的电压一致称为均压策略。具体的，当半桥子模块的电压需要降低时，当电流大于零时，通过切换半桥子模块内开关管的导通状态，使得半桥子模块的电容旁路；当电流小于零时，通过切换半桥子模块内开关管的导通状态，使得半桥子模块的电容处于放电状态；当全桥子模块的电压需要降低时，当电流小于零时，通过切换全桥子模块内开关管的导通状态，使得全桥子模块的电容处于放电状态。

S4：在持续充电过程中依次将电压达到设定值的全桥子模块或半桥子模块切换至切除状态，至所有全桥子模块和半桥子模块的电压均达到设定值。

具体的，本实施例中，所有全桥子模块和半桥子模块的电压均达到设定值具体为：所有全桥子模块和半桥子模块的电压均达到各自内部电容的电压额定值。

再一个实施例中，本发明提供了一种柔性直流换流阀充电控制系统，包括不控充电控制模块、半桥充电控制模块、均压控制模块、充电切除模块以及电压监控模块。

不控充电控制模块用于闭合交流开关，对柔性直流换流阀开始不控充电，至柔性直流换流阀内所有全桥子模块电压均超过各自自取能电源的最小工作电压；半桥充电控制模块用于交替改变柔性直流换流阀内每一相的桥臂上的充电电流方向，至柔性直流换流阀内所有半桥子模块电压均超过各自自取能电源的最小工作电压；均压控制模块用于通过切换全桥子模块和半桥子模块的充放电状态，使得所有全桥子模块和半桥子模块的电压一致；充电切除模块用于在持续充电过程中依次将电压达到设定值的全桥子模块或半桥子模块切换至切除状态，至所有全桥子模块和半桥子模块的电压均达到设定值；电压监控模块用于实时获取每个全桥子模块和半桥子模块的电压。

下面详细介绍本发明柔性直流换流阀充电方法的原理：

首先，介绍子模块工作原理，子模块包括全桥子模块和半桥子模块。

子模块工作方式：参见图2至4，示出了混合型MMC的拓扑结构，MMC由三个相单元组成，每相包含了上、下两个桥臂，每个桥臂由若干个半桥型和全桥型子模块串联连接构成，其中，S1至S4均为IGBT。

半桥子模块一般有三种工作状态：

1)闭锁状态：S1和S2均不导通。

2)投入状态：S1导通，S2不导通。

3)切除状态：S1不导通，S2导通。

全桥子模块一般有四种工作状态：

1)闭锁状态：S1、S2、S3和S4均不导通。

2)正向投入状态：S1和S4均导通。

3)切除状态：S1和S2均导通或S3和S4均导通。

4)负向投入状态：S2和S3均导通。

需要指出，半桥子模块和全桥子模块的自取能电源存在电压启动工作点，在电压达到这个工作点之前，两种类型的子模块的IGBT均不受控，且处于闭锁状态。定义上桥臂电i_xp(x＝a，b，c)和下桥臂电流i_xn(x＝a，b，c)的正方向均为由正极母线指向负极母线的方向。半桥子模块处于闭锁状态时，只能在桥臂电流大于零的时候充电；而全桥子模块处于闭锁状态时既可以在桥臂电流大于零的时候充电，也可以在桥臂电流小于零的时候充电。

子模块取能要求：参见图5，示出了半桥子模块硬件架构，自取能电源直接从直流电容器取能。自取能电源主要为功率模块控制板(power module controller，PMC)、IGBT驱动板、模拟量采集器和旁路开关供电。PMC板具有脉冲触发、模拟量采样、故障保护、交互通讯等功能，实现功率模块级的控制与保护。全桥型子模块跟半桥型子模块在硬件架构上的区别仅仅是多了两个开关管(本实施中指IGBT)所示，在自取能电源、PMC板等其他方面设置均一致。

受限于拓扑、器件等因素的限制，自取能电源只能在输入电压高于某一门槛值时才能稳定的工作。自取能电源的输入端连接子模块电容，最高输入电压可达3000V(DC)，而输入电压的门槛值一般在400V左右。低于此门槛电压时，子模块自取能电源无法正常工作，功率模块PMC板卡无法带电工作，所有IGBT均闭锁，子模块处于不受控状态。

接着，介绍第二阀组工作原理。

参见图6，示出了对称双极高低阀组接线方式，半全桥混合型MMC的高低阀组接线方式可以实现阀组的在线投入。以极1为例说明阀组在线投入的过程，假定一个阀组处于运行状态，另一个待投入的阀组处于不带电的冷备用状态，称待投入阀组为第二阀组。由于极1是对称结构，高阀组处于运行和冷备状态并不影响投入过程，以下指定高阀组处于运行状态，此时与低阀组并联的旁路开关处于闭合状态，低阀组的直流侧被短路。极1低阀组交流侧开关先闭合，给换流阀充电，待换流阀充电结束后，解锁低阀组，再打开与之并联的旁路开关，使得电流从阀组中流过，阀组投入完成。

第二阀组在线投入不控充电：从上述的第二阀组在线投入过程可知，第二阀组冷备投入前必须在直流侧短路的情况下进行交流充电。在交流开关闭合后，阀组进入不控充电状态，由于直流侧短接，Up与Un处于相同的电位，此时每相的上桥臂与下桥臂相当于并联关系。所有子模块初始为闭锁状态，由于半桥子模块跟全桥子模块在不控状态下的充电特性不一致，具体为半桥子模块仅在桥臂电流为正时进行充电，全桥子模块不仅能在桥臂电流为正的时候充电，在桥臂电流为负时依然能够进行充电。以A、B相为例，当UA＞UB时，充电路径为：A相上桥臂—Up-Un—B相下桥臂，半桥因充电电流方向为负方向，处于旁路状态。

从上面的分析可以看出，在不控充电过程中，全桥子模块由线电压充电，充电路径为：上桥臂—Up-Un—下桥臂；直流线路中的电流方向为Up—Un，不会出现负电流，半桥子模块自取能电源电压低于门槛值，不能正常工作。因此需要设计一种第二阀组冷备在线投入时的充电方法，以解决半桥子模块取能失败的问题。

第二阀组充电策略：半桥子模块只能在桥臂电流为正方向时充电，为了给半桥子模块充电，需要将充电电流变为正方向，系统的充电路径控制为：下桥臂—Up-Un—上桥臂。

不控充电时，可以将同一相的上下桥臂等效为两个充电电容，据充电电路的并联特性可知，充电电流会流经电压较低的支路。因此，不控充电完成后的充电策略为，通过控制子模块投入个数来改变三相上、下桥臂的等效初始充电电压，可以改变充电路径及充电电流方向，从而为半桥子模块完成充电。

以A、B相为例，当UA＞UB时，触发A相下桥臂全桥，通过旁路部分全桥子模块以减少投入的全桥模块数，同时触发B相上桥臂子全桥，通过旁路部分全桥子模块以减少投入的全桥子模块数，此时充电路径改变为：A相下桥臂—Un-Up—B相上桥臂，充电电流方向为桥臂电流正方向，投入的全桥及半桥子模块处于充电状态。三相上下桥臂轮流减少投入全桥子模块数量，就可以为所有半桥子模块进行充电，在半桥子模块达到最小工作电压后，投入子模块均压策略，最终完成所有模块充电。至此，子模块充电过程完成，可以进行下一步的解锁操作。

为了验证本发明柔性直流换流阀充电方法，在PSCAD中搭建了基于半桥和全桥子模块混合型单端柔性直流输电系统仿真模型。由于仅验证充电法，所以模型简化为1个直流侧短接的单阀组系统，如图7所示，仿真系统参数见表1。

表1仿真系统参数表

基于上述仿真系统，得到充电过程半桥和全桥子模块电压波形图，如图8所示。图中全桥子模块先达到工作电压门槛值，约4,时投入全桥电压控制策略，半桥子模块电压开始逐渐上升，在所有半桥子模块电压大于工作门槛值后，均压策略投入，半桥子模块和全桥子模块电压逐渐趋于一致，在20s至30s之间逐步减少投入充电的模块数，使得子模块电压达到设定值，充电完成。

为了进一步验证第二阀组在线投入充电策略的有效性，搭建了基于半桥和全桥子模块混合型单端柔性直流输电系统样机，样机关键参数如表1所示。样机为1个单阀组试验系统，在进行该试验时将该阀组直流侧短接，以验证第二阀组冷备投入充电策略是否有效。

基于上述样机实验系统，开展基于半桥和全桥子模块混合型第二阀组在线投入充电策略验证实验，得到整个充电过程的波形，如图8所示。

4s时闭合交流开关，换流器进入不控充电状态，全桥子模块的电压开始上升并迅速达到稳定，由于半桥子模块没有带电，没有超过自取能电源工作电压阈值，PMC板无法工作，所以没有电压显示。

43s时开始投入全桥电压控制策略，减少投入的全桥模块数。47s时半桥子模块电容电压稳定超过PMC工作阈值，半桥子模块开始工作。62s、78s和101s时各减少1个投入的子模块，所有子模块电压逐步上升并在均压策略的作用下达到一致，柔直阀组具备解锁条件。

通过上述仿真结果和样机实验结果表明，本发明柔性直流换流阀充电方法可以有效解决基于半桥和全桥子模块构建的混合型柔直换流阀的第二阀组在线投入时的充电问题。

目前，国内外已投运的柔直工程电压等级最高±500kV、输送容量最大1000MW，所用的柔性直流输电换流阀结构多为半桥型(Half-Bridge Sub Modular,HBSM)，阀组接线方式有对称单极方式和对称双极方式。而电压等级为±800kV，受端侧容量分别为5000MW和3000MW的工程，要采用基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)，换流器采用半桥全桥混合拓扑，主回路接线方式采用对称双极高低阀组方式，本发明柔性直流换流阀充电方法对这类工程的换流阀充电具有一定的参考作用。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种柔性直流换流阀充电方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：闭合交流开关，对柔性直流换流阀开始不控充电，至柔性直流换流阀内所有全桥子模块电压均超过各自自取能电源的最小工作电压；

S2：交替改变柔性直流换流阀内每一相的桥臂上的充电电流方向，至柔性直流换流阀内所有半桥子模块电压均超过各自自取能电源的最小工作电压；

S3：通过切换全桥子模块和半桥子模块的充放电状态，使得所有全桥子模块和半桥子模块的电压一致；

S4：在持续充电过程中依次将电压达到设定值的全桥子模块或半桥子模块切换至切除状态，至所有全桥子模块和半桥子模块的电压均达到设定值。

2.根据权利要求1所述的柔性直流换流阀充电方法，其特征在于，所述S1中全桥子模块的自取能电源的最小工作电压为400V。

3.根据权利要求1所述的柔性直流换流阀充电方法，其特征在于，所述S2中交替改变柔性直流换流阀内每一相的桥臂上的充电电流方向的具体方法为：

交替改变柔性直流换流阀中每一相的上桥臂和下桥臂的等效初始充电电压的大小关系。

4.根据权利要求3所述的柔性直流换流阀充电方法，其特征在于，所述S2中交替改变柔性直流换流阀中每一相的上桥臂和下桥臂的等效初始充电电压的大小关系的具体方法为：

交替增加柔性直流换流阀中每一相的上桥臂和下桥臂中位于切除状态的全桥子模块的个数。

5.根据权利要求1所述的柔性直流换流阀充电方法，其特征在于，所述S2中半桥子模块的自取能电源的最小工作电压为400V。

6.根据权利要求1所述的柔性直流换流阀充电方法，其特征在于，所述S3的具体方法为：

当半桥子模块的电压需要降低时，当电流大于零时，通过切换半桥子模块内开关管的导通状态，使得半桥子模块的电容旁路；当电流小于零时，通过切换半桥子模块内开关管的导通状态，使得半桥子模块的电容处于放电状态；

当全桥子模块的电压需要降低时，当电流小于零时，通过切换全桥子模块内开关管的导通状态，使得全桥子模块的电容处于放电状态。

7.根据权利要求1所述的柔性直流换流阀充电方法，其特征在于，所述S4中所有全桥子模块和半桥子模块的电压均达到设定值具体为：所有全桥子模块和半桥子模块的电压均达到各自内部电容的电压额定值。

8.一种柔性直流换流阀充电控制系统，其特征在于，包括：

不控充电控制模块，用于闭合交流开关，对柔性直流换流阀开始不控充电，至柔性直流换流阀内所有全桥子模块电压均超过各自自取能电源的最小工作电压；

半桥充电控制模块，用于交替改变柔性直流换流阀内每一相的桥臂上的充电电流方向，至柔性直流换流阀内所有半桥子模块电压均超过各自自取能电源的最小工作电压；

均压控制模块，用于通过切换全桥子模块和半桥子模块的充放电状态，使得所有全桥子模块和半桥子模块的电压一致；

充电切除模块，用于在持续充电过程中依次将电压达到设定值的全桥子模块或半桥子模块切换至切除状态，至所有全桥子模块和半桥子模块的电压均达到设定值；以及

电压监控模块，用于实时获取每个全桥子模块和半桥子模块的电压。

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